基于LabView的頻率穩定度測量原理和應用設計

引言

時間頻率測量是電子測量的重要領域，要實現對時間頻率測量，需要有一個好的頻率源，在各種頻率源中，尤其是對于晶體振蕩器來說，穩定度問題是最使人們關注的問題，它表示對于頻率穩定度的保持能力。對于穩定度不好的頻率源來說，準確度調得再高也是沒有意義的。本文介紹了一個基于計算機的多路數據采集、實時顯示的頻穩測量系統，該系統以計算機、數據采集卡為基本硬件，因此它屬于虛擬儀器的范疇。虛擬儀器系統是基于計算機的數字化測量測試儀器，它由計算機、應用軟件和儀器硬件三部分組成。虛擬儀器可使用相同的硬件系統，通過不同的軟件就可以實現功能完全不同的各種測量測試儀器，即軟件系統是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器。虛擬儀器技術的優勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統，且功能靈活，很容易構建，所以應用越來越廣泛。

硬件框架及軟件設計方案

● 虛擬儀器的硬件框架

目前虛擬儀器主要有以下幾種構成方式：PC總線方式的插卡型虛擬儀器；GPIB總線方式的虛擬儀器；VXI總線方式的虛擬儀器；PXI總線方式的虛擬儀器。

● 虛擬儀器的軟件設計方案

軟件在虛擬儀器中一般起到三個層面的作用：底層驅動層、應用層和人機界面層。底層應用層主要用來對硬件的操作，如對數據采集卡的驅動。應用層則是完成數據的采集存儲、轉換和分析，儀器的各種功能就在該層編制類似于傳統儀器的面板，完成人機交換。

目前較為流行的虛擬儀器軟件有美國國家儀器公司的LabView、 LabWindows/CVI 、Measurement studio，惠普公司的HP---VEE等圖形化、交互式的編程設計環境，以及通用可視化編程工具VC++、VB、DELPHI、C++ Builder、BC等。

利用LabView實現頻率穩定度的測量

● 頻率穩定度測量原理

基于LabView的頻率穩定度測量原理和應用設計

頻率穩定度測量原理如圖1所示，以f1和f2分別表示一個標頻信號和一個被測頻率信號，設它們的標稱值均為Nns，讓其進行比相。由于它們之間的頻率差別和所有的各種噪聲的影響，使代表各自相位關系的兩鑒相脈沖之間的時間差變化在0～Nns的范圍，并且以Nns為一個鑒相周期。若當兩鑒相脈沖之間的時間間隔在0或Nns附近時，就會使鑒相雙穩態的鑒相工作不正常。為了避免出現這種情況，又反映相位差值的變化，則自然會聯想到按某種規律的間隔脈沖的鑒相方法。為控制方便并兼顧避開兩比相脈沖的間隔接近0ns和Nns兩種情況，比相時，一路鑒相信號的重復周期為Nns，另一路信號的重復周期應大于或等于3倍的Nns，并且標稱值是Nns的整數倍。通過適當的門電路，讓T1和T2參加鑒相的脈沖之間的時間間隔為Nns～2Nns或2Nns～3Nns。這樣，兩比相信號每隔4Nns的時間分別對鑒相雙穩態觸發一次，但鑒相的重復周期仍為Nns。鑒相雙穩態輸出電壓經濾波器輸出方波Vf變化的情況，反映了兩比相信號間相位差隨時間的變化。T1的每個脈沖均參加鑒相；T2由于門電路的控制作用，每連續的四個脈沖中只有一個參加鑒相。但不是固定的分頻鑒相，而是選擇了與T1鑒相脈沖有一定時間間隔的Nns一段中的時間范圍內的脈沖來實現。通過數據采集板卡利用LabView軟件對表示被測頻率穩定度的方波信號Vf進行采集即是該系統完成的功能。

● 硬件配置

本虛擬儀器系統是插卡型虛擬儀器，包括PC機、ADVANTECH公司PCI-1713數據采集卡，端子板和傳輸電纜。

● 軟件設計

測試程序有三個模塊組成：硬件驅動模塊、硬件配置及測量參數選擇模塊、用戶接口模塊。

硬件驅動模塊負責和底層數據采集卡打交道，它將根據用戶輸入的命令和參數完成一次數據采集并將測試結果還給用戶。考慮到程序的模塊化和通用性，一般將這部分程序編寫成動態鏈接庫。ADVANTECH公司針對該公司生產的各種數據采集板，通過在最底層調用動態庫，形成一些獨立的功能模塊，即該公司板卡的LabView硬件驅動庫，同時還提供了很多例程。

在進行頻穩測量時，由于處理數據量大，而且要求很高的采集率，所以采取DMA傳輸方式。圖2是硬件驅動模塊與數據采集模塊相結合實現數據采集流程圖。

硬件配置及參數選擇模塊

LabVIEW程序由三部分構成，即前面板、圖形代碼及程序圖標（即函數模板）和接口板。該部分即為前面板，它實現程序的輸入和輸出功能，由控制鍵元素和顯示鍵元素構成。控制鍵代表程序的輸入參數，顯示鍵代表程序的輸出值。圖3是該系統的主程序界面，左上角接受用戶輸入的測量參數；左下角是各種功能鍵，包括頻差測量、連續測量、頻穩測量、測試報告、停止采樣等；右上角是實時數據顯示，可以看出數據變化的趨勢；右下角則是頻穩、頻差等的計算結果顯示。